室内可见光通信LED布局研究与性能分析

发光二极管(LED)的布局对于维持接收平面上光功率分布的稳定起着重要的作用,针对现有矩形LED布局接收功率分布存在盲区,影响可见光通信系统的性能的问题,文章根据照度均方差最小原则,设计了一种LED的圆形布局方案。通过对接收光功率分布、信噪比的分布进行仿真,研究了圆形布局和矩形布局方案。结果表明,在LED数量相同的情况下,非视距链路接收的功率分布优于视距链路的接收功率分布,但墙面反射降低了信噪比降。同时,圆形布局增强了房间角落处的接收功率,且圆形布局的信噪比波动小于矩形布局。文章的结果为室内可见光通信系统光源布局的研究提供了一种新的思路,同时为未来室内可见光通信链路的建立提供参考。     

包含非视距链路的室内可见光通信倾角式光学接收端的设计与分析

室内可见光通信是一种利用室内照明白光LED灯来实现高速通信的新兴技术。当接收器在室内角落时较大的接收角限制了光电探测器的接收功率,从而降低了系统信噪比。为了实现接收器在室内各个位置处均能获得最大功率,提出了包含非视距链路情况下(墙壁一次反射)倾斜探测器接收面的设计方法,即在考虑视距链路(直射)的同时,还考虑了墙壁一次反射非视距链路下倾斜接收器的倾角设计。在室内各个位置处的最优倾斜角度可以通过牛顿算法得到,该快速算法的迭代次数仅为3~4次。仿真结果表明,倾斜接收器后系统最小信噪比提高大约5 dB,最大信噪比和平均信噪比均提高大约2 dB。尤其对改善室内角落处的信噪比最为显著。     

基于光线追踪的室内可见光通信链路研究

可见光通信是一种新兴的无线通信方式。介绍了基于朗伯辐射模型的光线追踪算法,该算法可以精确地模拟每个光子的运动轨迹和接收过程。论述了室内可见光通信系统6种基本链路形式,并对其信道脉冲响应进行了仿真,分析了脉冲响应的成分组成和幅值特性。仿真结果表明,光源所发出的光子只有0.1%~7.2%被接收机接收,视距链路中直射光子所携带的功率占接收总功率的98.93%~99.8%,非视距链路中一次反射的光子所携带的功率占接收总功率的85.45%~98.08%。     

室内可见光通信系统光源LED布局优化与性能分析

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明:LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%;圆形布局光源的位置存在最优半径r=2m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。     

基于改进粒子群算法的室内可见光通信系统灯源布局

针对传统室内可见光通信(VLC)系统中光源分布的不均匀性导致的通信盲区和通信质量不平稳等问题,提出一种位置和灯源参数联合优化的方法。该方法在不改变传统布局的总功率前提下进行发光二极管(LED)阵列的重新分配,其次遍历搜寻各LED阵列的最优位置,最后运用改进的粒子群优化(PSO)算法对各LED阵列中的参数进行优化。仿真结果表明:相较于传统光源分布,联合优化方法在满足室内照明的情况下不仅减少了灯源布局的总功率,而且提高了接收面上光照度均匀度。     

LED室内可见光语音通信系统设计及实现

LED灯作为主要的新型照明工具,因其较高的灵敏度,可用于光通信系统中。为了研究与验证LED室内可见光语音通信系统的接收性能与传输距离,参照红外通信的信道模型,融入反射光的影响因素,在使用室内标准照明的光发射功率下,采用多径叠加网格算法,计算桌面各接收点接收信号功率等参量的分布,并设计与实现了LED可见光语音单向通信系统的收发电路。结果表明,当LED灯的发射功率大于2W、信号物理层通信速率不高于1Mbit/s的情况下,系统能够满足信号接收功率与接收信噪比的实际通信要求,并能够实现10m距离内的信号无失真解码与清晰收听。这一结果对LED可见光通信系统进一步的研究与应用有一定的价值。     

紫外光室内传输系统设计与传输特性分析

以LED模组为光源、光电倍增管为光接收器设计了一种紫外光传输实验系统,利用该系统对波长为265nm的紫外光视距和非视距两种传输方式下的传输特性进行测试,并把测试结果和理论模型进行了对比分析。结果表明,室内紫外光传输满足在LOS方式下接收光功率与距离平方成反比、NLOS方式下接收光功率与距离成反比的关系,同时室内反射作用能够影响散射特性。设计紫外光通信系统时要综合考虑通信距离和功率的需求,留出足够功率裕量。研究结果为紫外光通信系统的设计提供了参考。     

室内可见光通信光功率分布的实验研究

室内可见光通信技术是基于白光LED（发光二极管）照明光源的无线光通信技术,在机场、医院等严格限制电磁干扰的场合可替代射频通信,应用前景广阔。鉴于室内可见光在传输过程中墙壁反射引起的多径效应对信号传输质量的影响,本文在4.0m×4.0m×2.8m的房间内测量了室内可见光系统光源的光功率分布,结果表明光源的光信号经墙壁反射,会造成严重的多径效应,从而产生码间干扰。本文对室内可见光功率分布的仿真研究进行了实验验证,实验结果与理论仿真研究基本吻合。     

室内带金属家具环境的电波传播特性研究

射线跟踪方法是研究室内复杂环境电波传播特性的有效技术。基于改进的入射及反弹射线法和镜像法研究了室内有金属家具的电波传播特性,仿真结果与已知文献测量结果对比,一致性良好,证明了该方法在室内复杂环境预测电波传播特性的正确性和有效性。仿真结果表明：（1）视距传播（LOS）绕射对接收功率贡献很小,可以忽略;非视距范围内（NLOS）绕射贡献较大,不可忽略,三次反射对整个室内的接收功率影响都很小。（2）金属家具的存在导致了视距范围内接收功率的剧烈波动,非视距范围内的接收功率波动不明显。（3）有金属家具房间的均方根时延变化幅度大。（4）到达角在空房间中近似于均匀分布,加入金属家具后,在视距范围内波动剧烈。（5）受到达角的影响,多普勒频移变化情况与到达角分布一致。分析结果为室内有金属家具环境的无线通信系统设计提供了有效的理论依据。     

面向绿色照明的大功率LED面板灯的光学设计与性能分析

针对现有LED室内照明灯具近场平面照度分布不均匀,眩光及散热问题,提出一种面向绿色照明的大功率LED面板灯结构。该结构灯具的配光设计基于非成像光学理论,通过对LED阵列排布方式的选择和排布距离的计算,来达到照度的均匀性。根据排布距离计算每颗LED坐标,导入光学仿真软件建模仿真,结果表明该面板灯的照度均匀度达到86.6%。最后对实际灯具的光学性能进行检测,证明其各项性能参数均满足室内照明要求,为今后大功率LED照明光学设计提供了有价值的数据。     

Analysis of LED modules for local illumination

Various variants of LED modules for local illumination are analyzed. The possibilities for approximation of LED luminous-intensity curves and for calculations of these curves in the TracePro system are considered. A method to calculate the illuminance of a 2D area via the 1D distribution of the illuminance along a line is proposed. A comparative analysis of the uniformity of the illumination and of the energy consumption is performed in the case when LEDs with different concentrations of luminous fluxes are employed. A possibility for rotation of LEDs via various optical systems for scattering and focusing of luminous fluxes is considered. In addition, the possibility of improving the uniformity of illumination through a decrease in the size of LED modules and a variation in the current of rotated LEDs is analyzed.     

基于二次相关法的非视域物体定位研究

非视域成像技术是对无法直接观测到的物体进行间接观测的一种技术,本文使用激光光源照射中间介质,光经过中间介质进行多次反射,再使用APD(Avalanche Photon Diode)阵列接收回波信号,最后使用二次相关法进行时间延迟估计,计算回波信号的返回时间,完成对非视域物体的定位。实验表明,该方法可以快速定位非视域物体的位置,在噪声比较大的环境下,比直接使用互相关法定位更加准确。     

Analysis of the illuminance provided by LED modules placed at large distances from illuminated objects

The possibility of applying LED modules for illumination of distant objects is analyzed. The illuminance distributions provided by large LED arrays with various optical systems are calculated. The influence of the number of LEDs, the intervals between LEDs, and the illumination angles on deviations from the law of inverse squared distance is studied. The conditions under which a variation in the LED elevation has only an insignificant effect on the illuminance and the radiation distribution over a limited illuminated area are determined.     

面向亮室对比度测量应用的高精度可变环境照明条件控制系统设计

针对目前显示器的亮室对比度性能测试方法中照明条件设置难度大及可调整性差等问题,提出了一种采用积分球和大功率彩色LED的可变环境照明条件控制系统.大功率LED采用WRGB四种颜色,其中白光作为主光源提供照度,其他3种有色光源主要用来对模拟照明环境的相关色温进行修正,这4种LED通过一定比例混合,可在积分球内部形成指定照度和相关色温值的均匀漫反射光照条件,以此来模拟实际的环境照明条件.经过实验验证,本系统模拟光照条件照度的相对误差可控制在5％以内,相关色温的相列误差可控制在1％以内.     

Improve uniformity for an indoor visible light communication system

Visible light communication (VLC) is an alternative technology to the radio frequency (RF) for different applications in the indoor and outdoor environments, it could be utilized for illumination and communication simultaneously, and it offers several advantages over contemporary RF technologies such as low power consumption, free license, large bandwidth, and being friendly to the environment. In this paper, an indoor VLC system uniformity improvement in terms of high received power, signal‐to‐noise ratio (SNR), and bit rate, with RMS delay spread reduction, is proposed. It features a novel model that utilizes a 13‐optical attocells configuration on the ceiling. Moreover, proposed model was evaluated at different semi‐angle at half power. The average received power and SNR were improved to 2.85 dBm and 75.5 dB, while achieved received power and SNR levels at the center of the room were 4.92 dBm and 79.5 dB, respectively. A minimum average RMS delay spread of 0.4749 nanoseconds is obtained, while the highest average bit rate calculated is 211 Mb/s. The proposed model provides a better communication quality and meets illumination standards requirements.     

面向大功率LED集成光源的反射器设计方法

分析了传统光学设计方法中将LED光源近似为理想点光源的设计方法的局限性,基于非成像光学中的边缘光线理论,提出了一种面向大功率LED集成光源的均匀照明反射器的光学设计方法,在集成光源与接收面上点的照度之间建立了一种能量对应关系,得到了可以在照明面上实现均匀照度分布的反射器光学模型,最后运用光学仿真软件进行了仿真,并与点光...     

基于改进蚁群优化算法的多LED通信光功率优化

针对室内可见光通信(VLC)中接收平面接收光功率和接收光照强度分布不均匀的问题,提出了一种基于改进的蚁群算法对其进行优化.通过建立发射端和接收端的信道模型,对放置在天花板上的4×4的LED阵列发射端配备功率调节因子,并利用改进的蚁群算法对功率调节因子进行优化.针对传统蚁群算法存在的收敛速度慢、容易停滞等问题,提出了采用自适应信息素更新的策略.仿真结果表明,利用所提方法优化后,接收光功率和照明强度的波动范围分别在93.523～50.453 μW和367.846～192.798 Lux,接收平面上接收到的光功率和照明强度分布不均匀的问题得到了明显改善.     

电流控制模式白光LED驱动电路的频率补偿研究

白光LED由于其工作寿命长和能耗低的特点，为无线通讯产品的应用提供了完美的背光方案，其驱动芯片的设计大部分采用电压模式和电流模式两类控制方案。电流控制型白光LED驱动电路因为线性调整率和负载调整率非常好的优点成为目前设计的热点。基于1 MHz开关频率的电流控制型白光LED驱动芯片，结合相关的研究，对电流控制型白光LED驱动芯片进行了小信号分析，根据得出的回路增益提出了具体的频率补偿方案，并给出了实现频率补偿的方案．必须满足的参数设计方法。补偿方案能有效提高白光LED驱动芯片的小信号稳定性。     

Bit-Error-Rate Degradation in a Multimode Fiber Optic Transmission Link Due to Modal Noise

A review is given of the statistics of modal noise and of the expressions for the signal-to-noise ratio for the cases of a monochromatic and a nonmonochromatic light source including the effects of source frequency fluctuations. Using the results, a quantitative analysis is made of how modal noise degrades the bit-error-rate performance of a digital transmission link with multimode fiber. Plots of the bit-error rate versus the received optical power show the characteristic asymptotic behavior (BER floor); expressions are derived for the asymptotic BER. The power penalty due to modal noise can be considerably reduced by suitable system modifications, e.g., by optimization of the decision threshold setting or by application of a low coherent light source such as an LED or a laser diode operating with several spectral emission lines of low coherence and low partition noise.